20. Полимерные композиционные материалы

Полимерными композиционными материалами, или пластиками, называют материалы, состоящие из полимерной матрицы (связующего) и упрочняющего наполнителя в виде волокон или порошкообразных веществ. Из полимерных композиционных материалов изготавливают баллоны для сжатых газов, корпусов ракетных двигателей, трубы для химических веществ, понтоны, корпуса лодок, удочки и др.

Одним из факторов, сдерживающих широкое применение таких материалов, как стеклопластики, была их низкая жесткость. В последние годы разработаны новые виды стеклянных волокон с повышенным модулем упругости, а также такие высокомодульные волокна как углеродные, борные, карбидокремниевые. Угле- и боропластики имеют модуль Юнга, близкий к стали, а по удельной жесткости в несколько раз превосходят промышленные металлы в соответственных конструкциях, которые раньше изготовлялись только из металлов. В тех случаях, когда от изделия требуется высокая несущая способность, при минимальной массе, высокопрочные и высокомодульные пластики оказываются эффективнее металлов.

К положительным качествам полимерных композиционных материалов следует отнести их стойкость к воздействию кислот, щелочей, масел, морской воды и др. Армированные пластики технологичны, обладают высокой демпфирующей способностью, вибростойкостью, радиопрозрачностью, тепло- и электроизоляционными свойствами, нечувствительностью к магнитному полю и др. Изделия из армированного пластика имеют красивый внешний вид и не требуют специальной защитной окраски. Технологические процессы их производства можно полностью автоматизировать. Все эти качества способствовали широкому применению армированных пластиков.

Полимерное связующее – это вещество или группа веществ, используемых в качестве матрицы в полимерных композиционных материалах. Выбор связующего зависит от требований, предъявляемых к механическим и физико-химическим свойствам композиционного материала.

Основные преимущества полимерных композиционных материалов по сравнению с металлическими композиционными материалами заключается в простоте изготовления, технологичности, дешевизне, низкой плотности. Основные недостатки их заключаются в ограниченном температурном интервале эксплуатации и сравнительно низких межслойной сдвиговой прочности и прочности отрыва. Современные полимерные связующие могут обеспечить работоспособность изделий до температур, не превышающих 300 – 400 0С.

В качестве связующих в полимерных композиционных материалах применяют синтетические высокомолекулярные вещества различного химического состава – полимеры. Молекулы полимеров представляют собой соединения, состоящего из большого числа элементарных звеньев – мономеров. Строение молекул полимеров и химическая природа мономеров определяют свойства полимерных материалов.

По поведению при нагреве и охлаждении полимерные материалы принято разделить на термопластичные и термореактивные.

Термопластичные полимеры при нагревании размягчаются и переходят в жидкое состояние. После охлаждения термопластичные полимеры возвращаются в твердое состояние. Такие переходы можно осуществлять многократно. Макромолекулы термопластичных полимеров имеют линейное строение и получаются из мономеров, имеющих по две функциональные группы, которые присоединяются друг к другу прочными ковалентными связями. Между собой макромолекулярные цепи связаны слабыми силами Ван-дер-Ваальса.

Термореактивные полимеры под действиями тепла, отвердителей, катализаторов переходят в твердое состояние (отверждаются), причем этот процесс необратим, т.е. при последующем охлаждении они не размягчаются. В исходном состоянии они легко растворяются в специальных растворителях (спирте, ацетоне и др.), но после отверждения уже не растворимы. Термореактивные смолы получают из мономеров, имеющих более двух функциональных групп. В процессе отверждения мономеры растут в двух или трех направлениях, образуя макромолекулы сетчатого строения, все структурные элементы которых соединены друг с другом прочными ковалентными связями.

Основным компонентом полимерного связующего является смола. От ее природы, реакционной способности, молекулярной массы и строения молекул зависят температура размягчения, растворимость, вязкость и конечные свойства связующего. Кроме смолы в состав связующего могут входить: катализаторы, или инициаторы, которые вводятся в смолы в небольших количествах и способствуют их отверждению; пластификаторы, придающие полимеру запас пластичности и упругости; красители, которые окрашивают материалы в нужный цвет, стабилизаторы, предотвращающие распад полимеров под действием светового излучения и повышенных температур.

Эпоксидные смолы составляют более 90 % смол, используемых в качестве связующих для новых полимерных композиционных материалов.

В неотвержденном состоянию эпоксидные смолы представляют собой полимеры линейного строения. Отверждение эпоксидных смол в зависимости от типа отвердителя и его количества можно осуществлять как при комнатной, так и при повышенной температуре. В первом случае говорят о смолах холодного отверждения, а во втором – о смолах горячего отверждения.